Monografie
DEGRADATION OF AIR POLLUTANTS IN NON-THERMAL PLASMA GENERATED BY ELECTRON BEAM. EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDY
(Degradacja zanieczyszczeń powietrza w niskotemperaturowej plazmie generowanej przez wprowadzoną wiązkę przyspieszonych elektronów. Badania eksperymentalne i teoretyczne)
Yongxia Sun
The rapid growth of the global population, together with the increased development of agriculture and industry, have led to the emission of large quantities of air pollutants, especially in industrial and urbanized regions. Reduction of these air pollutants emission is still a tough task for the engineers and scientists in the world. With new regulations concerning NOx and volatile organic compounds (VOCs) emission from diesel engineering, industrial process and marine resources become more stringent, it is urgent to develop technologies for VOCs and high concentration of NOx removal as well. Electron beam (EB) generated non-thermal plasma is one of the most promising technologies to remove multiple pollutants from gas phase. In order to decrease energy consumption for NOx removal and diminish undesired by-products formed from VOCs decomposition, it is very important to study high concentration of NOx removal and understand the mechanism of VOCs decomposition in air under EB radiation.
In this monograph, two representative aromatic organic compounds, toluene (HC6H4CH3) and 4-chlorotoluene (4-CT, ClC6H4CH3), were studied in batch system. Their decomposition efficiencies were studied as a function of dose, initial concentration, etc. Their decomposition products were identified by using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), and the results for both systems were compared with each other. The degradation mechanisms were proposed. A removal of VOCs and NOx (at high concentration) from flue gas emitted from oil burner was also studied. The studies were carried out in flow system under various conditions, as a function of dose, dose rate, using different scavengers (NH3, alcohol, NH3 + alcohol). In the end, numerical simulation studies of organic compounds were carried out by using computer code “Kinetic” and “Gear” method. Decompositions of trans-dichloroethylene (trans-C2H2Cl2, trans-DCE), cis-dichloroethylene (cis-C2H2Cl2, cis-DCE), trichloroethylene (C2HCl3, TCE), tetrachloroethylene (C2Cl4, PCE), benzene and toluene in air, benzene/toluene in flue gas under EB radiation were simulated. Calculated results were compared with experimental results reported in literatures, and a good agreement was obtained. Their decomposition mechanisms were elaborated.
Gwałtowny wzrost liczby ludności na świecie wraz z rozwojem przemysłu i agrotechniki doprowadziły do emisji ogromnych ilości zanieczyszczeń powietrza, zwłaszcza w regionach wysoko uprzemysłowionych i gęsto zaludnionych. Obniżenie poziomu tej emisji pozostaje nadal trudnym zagadnieniem dla światowej nauki i inżynierii. Od czasu zaostrzenia przepisów prawnych ustalających maksymalne poziomy emisji tlenków azotu (NOx) i lotnych związków organicznych (LZO, ang. volatile organic compounds – VOCs) dla przemysłu i motoryzacji problem opracowania technologii usuwania VOC i wysokich stężeń NOx stał się szczególnie naglący. Zastosowanie reaktora z wykorzystaniem niskotemperaturowej plazmy generowanej przez wprowadzaną doń wiązkę przyspieszonych elektronów jest jedną z najbardziej obiecujących technologii zdolnych do jednoczesnej obróbki wielu rodzajów zanieczyszczeń gazowych. Z punktu widzenia obniżenia zużycia energii na usuwanie tlenków azotu oraz zmniejszenia ilości niepożądanych produktów istotne jest dokładne poznanie mechanizmu rozkładu VOC i wysokich stężeń NOx w powietrzu pod wpływem wiązki elektronów.
W niniejszej monografii wzięto pod uwagę dwa reprezentatywne związki aromatyczne: toluen (HC6H4CH3) i 4-chlorotoluen (4-CT, ClC6H4CH3), analizowane w systemie próbek. Przeprowadzono badania efektywności rozkładu ww. związków w zależności od warunków prowadzenia procesu: początkowych stężeń, wkładu energii i in. Za pomocą chromatografu gazowego sprzężonego ze spektrometrem masowym dokonano identyfikacji produktów rozkładu i ich analizy porównawczej. Zaproponowano i porównano mechanizmy degradacji badanych związków, a ponadto przedstawiono wyniki eksperymentów w systemie przepływowym, przeprowadzonych z użyciem gazów spalinowych z pieca olejowego. Analizowano wpływ dawki, szybkości dawkowania oraz substancji pomocniczych (zmiataczy) wprowadzanych do środowiska reakcji, takich jak NH3, alkohol, NH3 + alkohol, na efektywność usunięcia VOC i wysokich stężeń NOx. W podsumowaniu zaprezentowano wyniki obliczeniowych symulacji przy użyciu programu komputerowego „Kinetic” opartego na metodzie „Gear”. Opracowano mechanizmy rozkładu i przeprowadzono symulację dla: trans-dichloroetylenu (trans-C2H2Cl2, trans-DCE), cis-dichloroetylenu (cis-C2H2Cl2, cis-DCE), trichloroetylenu (C2HCl3, TCE), tetrachloroetylenu (C2Cl4, PCE), benzenu i toluenu w powietrzu oraz mieszaniny benzen/toluen w gazie spalinowym.